Tài liệu Nguyên lý hóa công nghiệp

 MÔN HỌC 
NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP 
30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH) 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999. 
2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi 
- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, 
Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp 
3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les 
réacteurs chimiques, Technip, 1984. 
4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí 
Minh, 1999. 
5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980. 
Nguyên lý hóa công nghiệp 2 
NỘI DUNG MÔN HỌC 
Lý thuyết và bài tập 
Chương I: Mở đầu 
Chương II: Chưng luyện 
Chương III: Trích ly 
Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng 
Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt 
Thực hành 
Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công 
nghiệp hóa học 
Nguyên lý hóa công nghiệp 3 
MỤC LỤC 
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU................................................................................................................. 5 
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ........................... 5 
1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI......................... 6 
1.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 6 
1.2.2. Phân loại ....................................................................................................................... 6 
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN................................................................................................... 7 
2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG .................................................................................................. 7 
2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG............................................................... 7 
2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ .......................................................................... 8 
2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ ................................................... 9 
2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y .............................................................................................. 9 
2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y................................................................................................. 10 
2.4.5. Giản đồ phần mol x-y .................................................................................................. 11 
2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN ............................................................................................... 12 
2.5.1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................. 12 
2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) .................................................................... 13 
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)............................................................................ 14 
2.5.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 16 
2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin......................................... 17 
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT.......................................................................................... 19
THỰC HÀNH 
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG 
NGHIỆP HÓA HỌC 
I- GIớI THIệU TổNG QUAN ..................................................................................................... 21 
1- MụC ĐÍCH, VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG ........................................................................... 21 
2- CÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC.......................................................... 22 
II- PHầN MềM PRO/II ............................................................................................................... 22 
1- LĨNH VựC Sử DụNG................................................................................................................... 22 
2- QUÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II....................................................................... 23 
III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC........................................................................................ 24 
IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG.................................................................... 25 
V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII......................................................................................... 28 
1- GIAO DIệN CủA PROII- QUI ƯớC BAN ĐầU ............................................................................... 28 
2- Cửa sổ PRO/II................................................................................................................... 29 
VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II ........................ 30 
1- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (OPENING A NEW SIMULATION) ................................ 30 
2- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (OPENING AN EXISTING SIMULATION) .................. 30 
3- GHI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (SAVING THE CURRENT SIMULATION).................. 30 
a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành ............................................................................. 30 
b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác ........................................................................... 31 
4- XÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (DELETING A SIMULATION)........................................... 31 
5- SAO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (COPY A SIMULATION).......................................... 31 
Nguyên lý hóa công nghiệp 4 
6- THAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (MODIFYING THE FLOWSHEET STREAM BORDER 
STYLE)........................................................................................................................................ 32 
7- HIểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG ............................................................ 32 
8- Sử DụNG FLASH HOT-KEY TOOL............................................................................................ 33 
9- XUấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (EXPORTING THE PFD TO THE WINDOWS 
CLIPBOARD) ............................................................................................................................... 34 
10- NHậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (IMPORTING A PRO/II KEYWORD INPUT FILE)...................... 34 
11- XÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (DISPLAY BVLE).. 34 
VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG............................................................................................................ 36 
BÀI TOÁN 1: MÔ PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH MÉTHANE ........................... 36 
BÀI TOÁN 2: MÔ PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG ...................................................................... 38 
BÀI TOÁN 3: TÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH.................. 39 
BÀI TOÁN 4: MÔ PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE ............................................................................ 40 
BÀI TOÁN 5: XÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ OPTIMISER
................................................................................................................................................... 42 
BÀI TOÁN 6: XÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH 
PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT ................................................................................... 44 
CHƯƠNG 3: TRÍCH LY ........................................................................................................... 46 
3.1. NGUYÊN TắC................................................................................................................... 46 
3.2. SƠ Đồ .............................................................................................................................. 46 
3.3. ỨNG DụNG ...................................................................................................................... 46 
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG....................................................................................... 47 
4.1. ĐẠI CƯƠNG................................................................................................................. 47 
4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG........................................................................... 47 
a- Theo pha của hệ ................................................................................................................ 47 
b- Điều kiện tiến hành quá trình............................................................................................ 47 
c- Theo điều kiện thủy động................................................................................................... 47 
4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC ...... 48 
a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :........................................................................................... 48 
b- Thiết bị phản ứng liên tục : ............................................................................................... 49 
c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : ........................................................................................ 50 
4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .......................................................... 50 
4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT ............................. 51 
4.2.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 51 
4.2.5. Cân bằng nhiệt ............................................................................................................ 51 
4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN.................... 52 
Thiết bị phản ứng liên tục...................................................................................................... 52 
a- Thiết bị phản ứng dạng ống : ............................................................................................ 52 
b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng..................................................................... 55 
c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ............................................................................... 59 
4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ..................................................................... 60 
4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN ............................................................. 60 
4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG............................................................................. 67 
Nguyên lý hóa công nghiệp 5 
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 
Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau: 
1. Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng,  các vật liệu 
rắn. 
2. Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về: 
− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí. 
− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, ) 
− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng, 
lọc, ly tâm, ) 
3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về: 
− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, ) 
− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc) 
− Các quá trình làm lạnh. 
4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về: 
− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau 
− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh, 
) 
Nguyên lý hóa công nghiệp 6 
1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 
1.2.1. Định nghĩa 
- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc 
trực tiếp với nhau; 
- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ, 
hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm,  
1.2.2. Phân loại 
Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại: 
- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó 
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ 
biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, ) 
- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum 
bằng cách cho H2SO4 đậm đặc hấp thụ khí SO2; tách khí acide bằng dung dịch 
alkanolamine); 
- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide 
ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử); 
- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng 
hay chất rắn bằng một chất lỏng khác; 
- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển 
từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, ); 
- Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) 
di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm); 
- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối 
hoặc đường vào nước); 
Nguyên lý hóa công nghiệp 7 
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 
2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG 
- Là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí 
lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử 
trong hỗn hợp; 
- Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa 
chúng có một ranh giới cơ bản: 
• Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi; 
• Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi; 
- Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được 
bấy nhiêu sản phẩm; 
- Đối với trường hợp 2 cấu tử : 
• sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ε cấu tử có độ bay hơi bé; 
• sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ε cấu tử có độ bay hơi lớn; 
2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG 
Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau: 
1. Chưng đơn giản: 
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau 
- thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất 
2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp: 
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi 
Nguyên lý hóa công nghiệp 8 
- thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước 
3. Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu 
tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ 
sôi quá cao) 
4. Chưng luyện: 
- Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay 
hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau; 
- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao; 
- Chưng luyện ở áp suất c ... ol/l 
CBo = 0,8 mol/l 
CRo = CSo = 0 
Với độ chuyển hóa của B là xB = 75%, thành phần của hỗn hợp phản ứng trong bình hoặc 
trong dòng sản phẩm ra là : 
CA = CAo − CBo.xB = 1,4 − 0,8 × 0,75 = 0,8 mol/l 
CB = CBo − CBo.xB = 0,8 − 0,8 × 0,75 = 0,2 mol/l 
CR = CS = CBo.xB = 0,8 × 0,75 = 0,6 mol/l 
Lưu ý : CA = CAo − CAo.xA = CAo − CBo.xB 
Vậy : CAo.xA = CBo.xB
Phương trình vận tốc của phản ứng thuận nghịch này là : 
 (−rA) = (−rB) = k1CACB − k2CRCS
 = 7 (l/mol.ph)× 0,8(mol/l)× 0,2 (mol/l) − 3(l/mol.ph)× 0,6(mol/l)× 0,6 (mol/l) 
 = 0,04 mol/l.ph 
Theo biểu thức (IV-2 ), ta có : 
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )phl8750lmol80
phlmol040l120
xC
rV
v
r
xC
r
xC
v
V
BB
fB
fB
BB
fA
AA
0
00 /
,./,
./, =×=⋅
−⋅=⇒−
⋅=−
⋅= 
Vậy, lưu lượng mỗi dòng là 4 lít/ph. 
Nguyên lý hóa công nghiệp 59 
c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) 
• Đặc điểm : 
- vận hành liên tục ; 
- gồm nhiều ngăn, mỗi ngăn có lắp cánh khuấy để khuấy trộn liên tục và hỗn hợp 
phản ứng sẽ chuyển động từ ngăn đầu đến ngăn cuối nhờ chảy tràn. Vì vậy có 
thể xem đây là hệ nhiều bình phản ứng khuấy trộn liên tục mắc nối tiếp và nồng 
độ của tác chất trong mỗi ngăn là như nhau và giảm dần từ ngăn đầu đến ngăn 
cuối. Hay nói một cách khác độ chuyển hóa của tác chất trong mỗi ngăn là như 
nhau nhưng tăng dần từ ngăn đầu đến ngăn cuối. 
• Nếu số ngăn tăng đến vô cực thì thể tích vi của mỗi ngăn sẽ giảm đến tối thiểu sao cho 
tổng thể tích là không đổi. Lúc đó, sự biến thiên nồng độ của tác chất giữa hai ngăn 
liên tiếp nhau là rất bé và ta có thể vẽ một đường liên tục thay cho đường gấp khúc để 
biểu diễn sự biến thiên nồng độ của tác chất từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Do đó, dạng 
thiết bị phản ứng này được xem là dạng trung gian giữa thiết bị phản ứng dạng ống và 
dạng khuấy trộn liên tục. 
CAo
CAf
CAf
CAo
Ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Ngăn 4
Nguyên lý hóa công nghiệp 60 
4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ 
• Để thực hiện một phản ứng theo những điều kiện cho trước, chúng ta có thể dùng 
nhiều loại thiết bị phản ứng khác nhau như : thiết bị phản ứng dạng ống, thiết bị phản 
ứng khuấy trộn hoạt động liên tục hoặc gián đoạn hoặc hệ nhiều thiết bị phản ứng mắc 
nối tiếp hoặc song song. 
• Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế của quá trình là thể tích của thiết bị 
phản ứng và hiệu suất thu các sản phẩm. Với một thiết bị phản ứng có kết cấu và thể 
tích thích hợp sẽ cho hiệu suất thu sản phẩm chính cực đại, đồng thời hạn chế lượng 
sản phẩm phụ là cực tiểu. 
• Trong chương này, ta sẽ so sánh các phương án thiết kế thiết bị phản ứng khác nhau 
cho thiết bị đơn hoặc cho hệ nhiều thiết bị phản ứng. 
4.4.6. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN 
4.4.6.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định và thiết bị phản ứng 
dạng ống với phản ứng bậc một và bậc hai 
• Dạng phương trình vận tốc tổng quát : 
( ) nAAA kCdt
dN
V
r =⋅=− 1 
với n biến đổi bất kỳ từ 0 ÷ 3 
• Với hai dạng thiết bị phản ứng này, độ chuyển hóa là hàm của lưu lượng nguyên liệu, 
thành phần nguyên liệu, bậc phản ứng và hệ số biến đổi thể tích. 
• Ta tính thời gian lưu ℑ đối với thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định : 
( )
( )
( )nA
n
AA
n
AoA
AAo
Ao
Ao
kh x
xx
Ckr
xC
F
VC
v
V
−
+⋅=−===ℑ − 1
11
1
 .
.
.. α 
• Đối với thiết bị phản ứng dạng ống : 
( )
( )
( )nA
A
n
A
x
n
Ao
x
A
A
Ao
Ao
Ao
x
dxx
Ckr
dxC
F
VC
v
V AA
−
+=−===ℑ ∫∫ − 1
11
0
1
0
.
.
ä
α 
Nguyên lý hóa công nghiệp 61 
Chia hai phương trình, vế theo vế ta được : 
( )( )
( )
( )
( )
( )
( )1-V 
 .
.
.
.
.
ää
ä ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−
α+
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−
α+
=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
=ℑ
ℑ
∫
−
−
Ax
0
An
A
n
A
khA
n
A
A
Ao
n
Ao
khAo
n
Ao
1n
Ao
kh
1n
Ao
dx
x1
x1
x1
x1x
F
VC
F
VC
C
C
Nếu khối lượng riêng không đổi, thể tích sẽ không đổi và α = 0, ta có : 
( )( )
( )
( ) ä
ä.
.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−=ℑ
ℑ
∫
−
−
Ax
0
An
A
kh
n
A
A
1n
Ao
kh
1n
Ao
dx
x1
1
x1
x
C
C
( )( )
( )
( )[ ] ( )2-V .
.
 :1 n våïi, têch phánLáúy
ä
ä 1n
A
kh
n
A
A
1n
Ao
kh
1n
Ao
x1
n1
1
x1
x
C
C
−−
−
−−−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−=ℑ
ℑ≠ 
( )( ) ( )ää ln.
.
 :1 nvåïi
A
khA
A
1n
Ao
kh
1n
Ao
x1
x1
x
C
C
−−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
−=ℑ
ℑ= −
−
Phương trình (V-1) và (V-2) được biểu diễn bằng đồ thị trên hình (4-1). Với cùng 
nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo và lưu lượng nguyên liệu FAo, tung độ của giản đồ sẽ 
cho ta trực tiếp tỉ số thể tích của hai dạng thiết bị phản ứng trên. 
Hình 4.1: 
So sánh hoạt động của TBPU khuấy trộn hoạt động ổn định và TBPU dạng ống cho phản 
ứng bậc n. Với cùng điều kiện nạp liệu, trục tung cho giá trị tỉ số Vkh/Vô 
Nguyên lý hóa công nghiệp 62 
4.4.6.2 Ảnh hưởng của sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong 
phản ứng bậc hai 
Với phản ứng bậc hai loại : A + B ⇒ sản phẩm , phương trình vận tốc là : 
 ( ) ( ) BABA CCkrr ..=−=− 
Hình (4-1) cho phép ta so sánh thể tích của hai loại thiết bị khi nồng độ ban đầu 
của hai tác chất bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế, nồng độ ban đầu của hai tác chất 
thường không bằng nhau. Tỉ lệ tối ưu phụ thuộc vào các yếu tố như : chi phí phân tách 
sản phẩm ra khỏi tác chất chưa phản ứng, chi phí hồi lưu tác chất, ... 
Nguyên lý hóa công nghiệp 63 
Với M = CBo / CAo > 1 và α = 0 , thời gian lưu của tác chất trong thiết bị phản ứng 
dạng ống là : 
( ) ( )
A
A
AoAo
Ao
M
A
A
AoAo
Ao
M
x
x
kCF
VC
xM
xM
MkCF
VC
−⋅=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ℑ
−
−⋅−=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ℑ
=
≠
1
1
11
1
1
1
.
ln
.
.
Hình (4-2 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng ống với các giá 
trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. 
( )
( ) 1MAo
1MAo
C
C
=
≠
τ
τ
Với thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định : 
Nguyên lý hóa công nghiệp 64 
( )( )
( )21
1
1
1
ÁAo
A
Ao
Ao
M
AAAo
A
Ao
Ao
M
xkC
x
F
VC
xMxkC
x
F
VC
−=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ℑ
−−=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ℑ
=
≠
.
.
.
Hình (4-3 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt 
động ổn định với các giá trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. Với cùng điều 
kiện FAo và CAo, tung độ của hai hình (4-2) và (4-3) cho ta tỉ số của hai loại thiết bị. 
Ví dụ : Phản ứng pha lỏng : A + B ⇒ sản phẩm với phương trình vận tốc là : 
 (-rA ) = (500 l/mol.ph ) CA.CB
Nguyên lý hóa công nghiệp 65 
được thực hiện trong thiết bị phản ứng dạng ống vận hành trong các điều kiện sau : 
- thể tích thiết bị : V = 0,1 l ; 
- lưu lượng thể tích của nguyên liệu : v = 0,05 l/ph ; 
- nồng độ của tác chất trong nguyên liệu : CBo = CAo = 0,01 mol/l 
Hãy : 
a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất ? 
b- Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tìm thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt 
động ổn định ? 
c- Với cùng vận tốc, tính độ chuyển hóa có thể đạt được trong thiết bị bị dạng khuấy trộn 
có cùng thể tích với thiết bị dạng ống ? 
Khi thay đổi dòng tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong nguyên liệu : CBo = 
0,015 mol/l và CAo = 0,010 mol/l, hãy tính : 
d- Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, tìm độ chuyển hóa của A trong thiết bị dạng 
ống ban đầu ? 
e- Với cùng độ chuyển hóa ban đầu, tìm tỉ lệ tăng năng suất ứng với dòng nguyên liệu 
mới ? 
f- Tìm lưu lượng nguyên liệu cần thiết nạp vào cho thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, 
hoạt động ổn định có V = 100 l, độ chuyển hóa của tác chất giới hạn là 99% ? 
Giải : 
a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị phản ứng dạng ống : 
Tính thời gian lưu : 
 ( )( ) ( )phphl
l
v
V 2
050
10 ===ℑ
/,
, 
Do đó : k.CAo.ℑ = 500 (l/mol.ph). 0,01 (mol/l). 2 (ph) = 10 
Nguyên lý hóa công nghiệp 66 
Từ hình (4-2), giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) cho ta giá 
trị của 1- xA = 0,09 hay xA = xB = 0,91 = 91% 
b- Thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định ở cùng điều kiện : 
Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tung độ trên hình (4-1) cho ta tỉ số thể tích của hai 
dạng bình phản ứng Vkh / Vô. Với xA = 0,91, ta tra được : 
( )lVV
V
V
äkh
kh
11101111
11
,, 
ä
=×==⇒
=
c- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có cùng thể 
tích : 
Với cùng thể tích bình thì k.CAo.ℑ = 10. 
Giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) trên hình (4-3) cho ta 
giá trị của 1- xA = 0,28 hay xA = 0,72 = 72% 
d- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị dạng ống có M ≠ 1 : 
M = CBo / CAo = 0,015/0,010 = 1,5. 
Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, giá trị của k.CAo.ℑ sẽ không đổi và bằng 10 
(FAo = CAo.V). Trên hình (4-2), từ giao điểm của hai đường k.CAo.ℑ = 10 và M = 1,5, ta 
ngoại suy giá trị của 1- xA = 0,006 hay xA = 0,994 = 99,4% 
e- Tỉ lệ tăng năng suất với dòng nguyên liệu mới : 
Dòng nguyên liệu mới có M = 1,5 và xA = 0,91. Tung độ trên hình (4-3) cho ta tỉ số : 
( )
( ) 300
1
51
1
51 ,
.
. ,, =
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=ℑ
ℑ
=
=
=
=
M
Ao
M
Ao
MAo
MAo
C
v
V
C
v
V
C
C
Mà CAo và V là giống nhau trong cả hai trường hợp, do đó lưu lượng thể tích dòng nguyên 
liệu mới sẽ bằng : 
Nguyên lý hóa công nghiệp 67 
 ( )phlvv MM /,,
,
,,
170
300
050
300
1
151 ==×= == 
Như vậy, năng suất đã tăng thêm 240%. 
f- Năng suất của thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có V = 100 lít và xA = 99% : 
Với xA = 99% = 0,99 ⇒ 1 - xA = 0,01 và M = 1,5 ; trên biểu đồ (4-3) ta suy ra : 
( ) ( ) ( ) phlllmolphmollVkCv
v
VkCkC AoAoAo /,
/,./ 632
190
100010500
190
190 =××==⇒==ℑ 
4.4.7. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 
4.4.7.1 Thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và / hoặc mắc song song 
a- Mắc nối tiếp 
Xét j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và gọi x1, x2, ...,xj là độ chuyển hóa 
của tác chất A khi rời khỏi thiết bị phản ứng 1, 2, ..., j. 
Từ cân bằng vật chất dựa trên lưu lượng mol của A vào thiết bị phản ứng đầu tiên, 
ta viết được cho thiết bị phản ứng thứ i : 
 ( )∫
−
−=
iA
iA
x
x A
A
Ao
i
r
dx
F
V
1
 Với j thiết bị mắc nối tiếp : 
 ( ) ( ) ( )
( )∫
∫∫∫
∑
−=
−++−+−=
+++==
−=
=
Aj
aû
Aj
A
A
A
Ao
x
A
A
x
x A
A
x
x A
A
x
x A
A
Ao
j
j
i Ao
i
Ao
r
dx
r
dx
r
dx
r
dx
F
VVV
F
V
F
V
0
21
1
1
2
1
1
0
.... 
...
Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp có tổng thể tích là V sẽ cho độ 
chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong một thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích V. 
Nguyên lý hóa công nghiệp 68 
b- Mắc song song 
Đối với các thiết bị phản ứng dạng ống mắc song song, sự phân phối nguyên liệu 
phải đảm bảo sao cho thành phần tại mỗi nhánh là giống nhau, nghĩa là tỉ số V/F hay thời 
gian lưu ℑ ở mỗi nhánh là bằng nhau. 
Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích là Vi (i = 1 ÷ j ) mắc song 
song sẽ cho độ chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong mỗi thiết bị phản ứng và lưu 
lượng của tác chất nạp vào hệ thiết bị phản ứng sẽ bằng tổng lưu lượng đầu vào của các 
tác chất của j thiết bị phản ứng. 
4.4.7.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp (thiết bị phản 
ứng nhiều ngăn) 
Xét j bình phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp. Giả sử α = 0 
a- Đối với phản ứng bậc một 
Phương trình cân bằng vật chất cho bình phản ứng thứ i viết cho cấu tử A là : 
( )
( )
i
Ai
Ai
Ai
AiAi
Ai
Ao
Ai
Ao
Ai
Ao
i
A
AiAiAoi
Ao
iAo
i
k
C
C
kC
CC
kC
C
C
C
C
C
hay
r
xxC
v
V
F
VC
ℑ+=⇒
−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −
=ℑ
−
−===ℑ
−
−
−
−
1
11
1
1
1
1
.
Với thời gian lưu là giống nhau cho tất cả j bình phản ứng khuấy trộn có thể tích Vi bằng 
nhau. Do đó : 
 ( ) ji
Aj
Aj
A
A
A
Ao
AjAj
Ao k
C
C
C
C
C
C
xC
C ℑ+=⋅⋅⋅=−=
− 1.....
1
1 1
2
1
1
Viết cho cả hệ với j bình phản ứng khuấy trộn : 
Nguyên lý hóa công nghiệp 69 
 ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ℑ=ℑ 1.
/1
,
j
Aj
Ao
ikhj C
C
k
jj 
Đối với hệ thiết bị phản ứng dạng ống : 
A
Ao
C
C
k
lnä
1=ℑ 
Từ các phương trình trên, ta có thể so sánh hiệu quả hoạt động của j bình phản ứng khuấy 
trộn mắc nối tiếp với một thiết bị dạng ống hoặc một bình khuấy trộn riêng lẻ. Kết quả 
được trình bày trên hình (4-7) cho phản ứng bậc một và khối lượng riêng của hệ biến đổi 
không đáng kể (α = 0 ) 
b- Đối với phản ứng bậc hai 
Với phản ứng bậc hai loại hai phân tử (M = 1), chứng minh tương tự như trên cho j bình 
khuấy trộn mắc nối tiếp : ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ℑ++−+−+−ℑ= iAoiAj
kC4121211
k2
1C 
Nguyên lý hóa công nghiệp 70 
Với thiết bị dạng ống : ℑ+= kC
C
C
Ao
A
Ao 1 
Kết quả được biểu diễn trên hình (4-8) 
Ví dụ : Một bình phản ứng dạng khuấy trộn có độ chuyển hóa là 90% tác chất A thành 
sản phẩm theo phản ứng bậc hai. Ta dự định thay bình này bằng hai bình có tổng thể tích 
bằng thể tích bình trước. 
a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? 
b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao 
nhiêu ? 
Nguyên lý hóa công nghiệp 71 
c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng 
độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? 
d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ? 
Giải : 
a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? 
Thay bình phản ứng dạng khuấy trộn bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích 
của bình đầu và cùng đạt độ chuyển hóa bằng xA = 90% ⇒ 1 - xA = 0,10. Sử dụng hình 
(4-8) cho phản ứng bậc hai, ta tra được : 
310 1j1j =ℑ
ℑ=ℑ
ℑ= ==
ää
 vaì :1 j Våïi 
33,3
3
10
F
V.C
F
V.C
2jAo
Ao
1jAo
Ao
1j ==
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
=ℑ
ℑ
=
=
=
=
2j
 :âoï Do 
( )
( ) 33,3F
F
1jAo
2jAo =⇒
=
= V vaìC cuìng Våïi Ao 
Như vậy, với cùng độ chuyển hóa là 90%, nếu thay một bình bằng hai bình có tổng 
thể tích bằng thể tích của bình đầu thì năng suất sẽ tăng thêm 2,33 lần hay 233%. 
b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao 
nhiêu ? 
Với năng suất không đổi cho cùng thể tích bình nên k, ℑ không đổi ⇒ đường 
k.CAo.ℑ chính là đường k.CAo.ℑ = 90 trong trường hợp một bình (j = 1) đạt độ chuyển hóa 
là 90%. Đường k.CAo.ℑ sẽ cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,046 ⇒ xA = 95,4%. 
⇒ Nếu thay 1 bình bằng 2 bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu mà vẫn 
giữ nguyên năng suất như trường hợp 1 bình thì độ chuyển hóa sẽ tăng thêm 5,4%. 
c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng 
độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? 
Nguyên lý hóa công nghiệp 72 
Như trong câu a, ta đã xác định được : 
( )
( ) 66633322
333
1
2
12
2
1
,, : Våïi
, 
=×=⇒=
=ℑ
ℑ
=
=
==
=
=
jAo
jAo
jj
j
j
F
F
VV
Vậy, năng suất đã tăng thêm 5,66 lần hay 566%. 
d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ? 
Với một bình đạt độ chuyển hóa 90%, từ hình (4-8 ) ta đã tra được : k.CAo.ℑ = 90. 
Với hai bình phản ứng thì thời gian lưu sẽ tăng gấp đôi ⇒ k.CAo.ℑ = 180. Đường này sẽ 
cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,026 ⇒ xA = 97,4%. 
Như vậy, độ chuyển hóa đã tăng thêm 7,4%.